Forskere opdager ny kvantespinvæske

Et internationalt forskerhold ledet af University of Liverpool og McMaster University har fået et betydeligt gennembrud i søgen efter nye stoftilstande.

I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik , forskere viser, at det perovskit-relaterede metaloxid, TbInO ₃ , udviser en quantum spin flydende tilstand, en længe søgt og usædvanlig materietilstand.

Ved at bruge banebrydende eksperimentelle teknologier, inklusive uelastisk neutronspredning og myonspektroskopi, forskere opdagede, at den eksotiske kvantetilstand i TbInO ₃ opstår fra kompleksiteten af ​​det lokale miljø omkring de magnetiske ioner i materialet, I dette tilfælde, af sjældne jordarters grundstof terbium.

Opdagelsen kom som en overraskelse for holdet som TbInO ₃ er et materiale, der ikke forventes at vise en sådan usædvanlig magnetisk adfærd baseret på dets krystalstruktur.

Kvantespinvæsketilstanden blev teoretisk foreslået for over fyrre år siden af ​​nobelpristageren Philip Anderson. I kvantespinvæsker, magnetiske momenter opfører sig som en væske og fryser eller bestiller ikke selv ved det absolutte nulpunkt, giver anledning til flere ekstraordinære materialeegenskaber.

Materialiseringen af ​​kvantespinvæsker er stadig meget omstridt. Som sådan, opdagelsen og udforskningen af ​​nye materialer, der kan være vært for denne tilstand af stof, er aktive områder inden for avanceret materialeforskning og har potentielle anvendelser i udviklingen af ​​kvantecomputere.

Dr. Lucy Clark, fra universitetets Materials Innovation Factory, der leder et program for kvantematerialeforskning, sagde:"Det har taget os flere års hårdt arbejde og eksperimenter at nå dette punkt i vores forståelse af TbInO ₃ ."

"Når man studerer indviklede kvantetilstande af stof som kvantespinvæsken, at udføre et eksperiment rejser ofte flere spørgsmål, end det kan besvare. I tilfælde af TbInO ₃ , imidlertid, fysikken er særlig rig, og derfor var vi især drevet til at holde ud. Vores undersøgelse viser, at TbInO ₃ er et fascinerende magnetisk materiale, og en, der højst sandsynligt har mange flere spændende egenskaber, som vi endnu ikke har afsløret."

"Intet af dette arbejde ville have været muligt uden samarbejdet fra vores kolleger på de verdensførende centrale faciliteter på Oak Ridge National Laboratory og ISIS Facility på Rutherford Appleton Laboratory, hvor en stor del af vores forsøg blev udført. Begge disse faciliteter producerer partikler – især neutroner og myoner - som vi kan bruge til at undersøge materialers atomare struktur og egenskaber for at afsløre naturen af ​​nye faser, såsom kvantespinvæsken."

Professor Bruce Gaulin, Direktør for Brockhouse Institute for Materials Research ved McMaster University, sagde:"Dette materiale virker vildledende simpelt, med terbiumspind, der dekorerer en todimensionel, trekantet arkitektur. Men med det fulde supplement af moderne eksperimentelle teknikker til vores rådighed, lavtemperaturmagnetismen af ​​denne struktur, baseret på to forskellige terbiummiljøer, udviser en helt eksotisk kvanteforstyrret tilstand af stof - et uventet og spændende resultat."

Dr. Lucy Clark tilføjede:"Nøglen til projektets succes var det stærke og varige internationale samarbejde, herunder gruppen ledet af prof Sang-Wook Cheong, Direktør for Center for Quantum Materials Synthesis ved Rutgers University."

Papiret, "Todimensionel spin-væskeadfærd i den trekantede honeycomb-antiferromagnet TbInO ₃ " er offentliggjort i Naturfysik .